GPS在鐵路控制測量中的應(yīng)用

于 洋

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070）

GPS在鐵路控制測量中的應(yīng)用

于 洋

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070）

通過GPS在京包鐵路線控制測量中的實際應(yīng)用、GPS作業(yè)過程，展示了GPS的測量優(yōu)勢。通過實際應(yīng)用的研究總結(jié)了GPS測量與傳統(tǒng)測量方法有著定位精度高、速度快、操作簡便、經(jīng)濟等優(yōu)點。

GPS；鐵路；控制測量

1 概況

受北京鐵路局委托，北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司對京包鐵路北京鐵路局管轄范圍內(nèi)北京北站至郭磊莊段（K12公里—K225公里）進行地籍測量，此區(qū)段全長約213 km。

京包鐵路是由中國自行勘探、設(shè)計、施工的第一條鐵路，是西北地區(qū)的重要鐵路干線，也是晉煤外運的另一重要通道，在國民經(jīng)濟中起到了非同尋常的作用，其中北京鐵路局管轄北京北站至郭磊莊段，涉及北京、河北兩省市的10個區(qū)縣，線路沿線交通較便利，但鐵路線上往返列車頻繁，會給測量作業(yè)帶來一定困難。

2 控制測量

2.1 控制測量方法選擇

由于鐵路線路測量的特殊性，它是典型的帶狀地形測量，控制測量如果采用傳統(tǒng)的導(dǎo)線方法進行會非常困難，耗時、費力，作業(yè)時間會很長，通過實地踏勘決定首級控制采用靜態(tài)E級GPS控制測量。

2.2 作業(yè)技術(shù)依據(jù)

《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》（CJJ73—97）主要參數(shù)設(shè)置及要求如下：

1）衛(wèi)星截止高度角≥15°；

2）同步觀測衛(wèi)星數(shù)≥4；

3）衛(wèi)星幾何圖形強度精度因子PDOP≤6；4）采樣間隔為10 s；

5）基線觀測時長≥40 min；

6）光學(xué)對中器對點誤差應(yīng)小于3 mm。

2.3 資料引用

本工程起算點使用由北京市測繪院提供的C級GPS網(wǎng)點N031、N039、N126、N129、N192、N195、N201，共計7個，其坐標(biāo)系統(tǒng)為北京市地方坐標(biāo)系，坐標(biāo)為3°投影帶，中央子午線經(jīng)度為116°21′；河北省測繪局提供的B級GPS網(wǎng)點1086、1087、1096、A002，計4個，C級GPS網(wǎng)點C050、C052、C211，計3個，其坐標(biāo)系統(tǒng)為1954年北京坐標(biāo)系，坐標(biāo)為6°投影帶，中央子午線經(jīng)度為117°。使用前對全部點位及坐標(biāo)進行了驗證。

根據(jù)北京鐵路局的要求及工程需要，北京市境內(nèi)采用北京市地方坐標(biāo)系；河北省境內(nèi)采用1954年北京坐標(biāo)系。測繪成果要求3°投影帶下的成果，因此，把河北省測繪局提供的6°投影帶起算數(shù)據(jù)，經(jīng)過投影換帶計算后得到3°投影帶坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其中央子午線經(jīng)度為114°。

2.4 控制點設(shè)計

由于鐵路測量的特點，它是一個狹長的帶狀圖形，且北京鐵路局對本工程精度要求較高，因此本工程直接采用以14個B、C級點坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù)沿著京包鐵路線布設(shè)了一個E級GPS控制網(wǎng)，共布設(shè)GPS點45個，平均邊長約5 km，采用分段聯(lián)測起算點并進行分段平差處理的方法。整體上分為兩部分，北京市境內(nèi)采用北京市地方坐標(biāo)系，河北省境內(nèi)采用1954年北京坐標(biāo)系。首先以北京市C級GPS網(wǎng)點N031、N039、N126、N129、N192、N195、N201為起算點，布設(shè)1個E級GPS網(wǎng)，設(shè)18個首級控制點；其次以河北省測繪局提供的B、C級GPS網(wǎng)點1086、1087、1096、A002、C050、C052、C211為起算點，布設(shè)1個E級GPS網(wǎng)，設(shè)28個首級控制點。

控制點點位均設(shè)計在便于安裝儀器、地面基礎(chǔ)穩(wěn)定、天空無遮擋物、視野開闊、視場內(nèi)障礙物高度角不超過15°的地方；遠離大功率無線電發(fā)射源（如電視臺、電臺、微波站等）及大面積水域，其距離不小于200 m；遠離高大建筑物，交通方便、易于保存和利于擴展的鐵路線路旁邊。

E級GPS控制點編號采用字母“JB”打頭，從01開始順序編號“JB01、JB02、JB03……JB43、JB44、JB45”。

控制網(wǎng)所有埋石點均參照《城市測量規(guī)范》附錄C.3.1小三角點標(biāo)石規(guī)格，埋設(shè)時底部用混凝土澆鑄，頂面測量標(biāo)志與地面持平或高于地面2～4 cm，并用紅色油漆標(biāo)注點名。對于點位設(shè)計在有條件的道路路面上時，采用特制鋼釘代替。各控制點均繪制點之記。

2.5 野外觀測

控制網(wǎng)的觀測采用3臺“S82”型雙頻GPS接收機和9臺“NGS9600”型單頻GPS接收機以靜態(tài)定位的模式進行，測前對儀器進行了檢驗均符合精度要求。作業(yè)時用12臺GPS接收機以邊點連接方式進行測量，組成同步、異步環(huán)。

觀測過程中，要求觀測員在作業(yè)期間不得擅自離開測站，并應(yīng)防止儀器受震動和被移動，防止人為和其他物體靠近天線，遮擋衛(wèi)星信號。

接收機在觀測過程中不應(yīng)在其近旁使用對講機；雷雨過境時應(yīng)關(guān)機停測，并取下天線，以防雷電。

觀測應(yīng)按照“GPS規(guī)程”有關(guān)規(guī)定執(zhí)行， 外業(yè)觀測應(yīng)填寫觀測手簿。外業(yè)觀測記錄應(yīng)記錄如下內(nèi)容：測站名、測站號；觀測時間及時段號，觀測時間應(yīng)記錄開始和結(jié)束時間，時間記錄到分；接收機的類型和天線號；天線高記錄到0.001 m；觀測狀況記錄應(yīng)包括電池電量情況、接收衛(wèi)星數(shù)量、信噪比及故障等情況；記錄天氣情況；觀測者姓名；觀測記錄應(yīng)字跡工整，不得涂改。

2.6 控制網(wǎng)的解算

GPS網(wǎng)平差計算采用GPS接收機配套軟件進行?？刂凭W(wǎng)分5段進行解算（布網(wǎng)情況詳見GPS控制網(wǎng)示意圖，如圖1、2、3、4、5所示）。

圖1 GPS控制網(wǎng)（北京段）示意圖

基線向量解算后，各控制網(wǎng)的解算情況如下：

1）控制網(wǎng)北京段中，由C級GPS網(wǎng)點N031、N039、N126、N129、N192、N195、N201，7個及JB01至JB18，其中JB14與N195點重合，17個待測點，共計24個點組成北京段控制網(wǎng)，共有閉合環(huán)75個，其中同步環(huán)69個，異步環(huán)6個。并分別計算各環(huán)的閉合差，按實際平均邊長計算，閉合環(huán)最大相對誤差5.8ppm，此環(huán)為28號異步環(huán)，最大邊長相對誤差1/65188，此邊為JB13-JB14。

2）控制網(wǎng)（河北段）A中，由JB32至JB45，14個待測點及已知點1086；1087；C211；C050；A002，合計19點組成（河北段）A網(wǎng)，共有閉合環(huán)50個，其中同步環(huán)42個，異步環(huán)8個。并分別計算了各環(huán)的閉合差，按實際平均邊長計算，閉合環(huán)最大相對誤差47.5ppm，此環(huán)為20號異步環(huán)，最大邊長相對誤差1/67426，此邊為JB44-JB45。

3）控制網(wǎng)（河北段）B中，由JB28至JB35和JB39，9個待測點及已知點1086； C211；C050；A002，合計13點組成（河北段）B網(wǎng)，共有同步環(huán)18個。并分別計算了各環(huán)的閉合差，按實際平均邊長計算，閉合環(huán)最大相對誤差0.8ppm，此環(huán)為2號同步環(huán)，最大邊長相對誤差1/120285，此邊為JB35-JB33。

圖3 GPS控制網(wǎng)（河北段）B示意圖

4）控制網(wǎng)（河北段）C中，由JB21至JB28，8個待測點及已知點C050；A002，C052；1096合計12點組成（河北段）C網(wǎng)，共有閉合環(huán)11個，其中同步環(huán)10個，異步環(huán)1個。并分別計算了各環(huán)的閉合差，按實際平均邊長計算，閉合環(huán)最大相對誤差31.8ppm，此環(huán)為4號異步環(huán)，最大邊長相對誤差1/199752，此邊為JB26-JB28。

圖4 GPS控制網(wǎng)（河北段）C示意圖

5）控制網(wǎng)（河北段）D中，由JB18至JB24，6個待測點及已知點1096；C052；合計9點組成（河北段）D網(wǎng)，共有閉合環(huán)18個，其中同步環(huán)17個，異步環(huán)1個。并分別計算了各環(huán)的閉合差，按實際平均邊長計算，閉合環(huán)最大相對誤差31.8ppm，此環(huán)為6號異步環(huán)，最大邊長相對誤差1/100186，此邊為JB22-JB20。

圖5 GPS控制網(wǎng)（河北段）D示意圖

上述各控制網(wǎng)的各項精度指標(biāo)已符合“設(shè)計書”及規(guī)范中相應(yīng)等級的限差要求，可以提交使用。另外，各條基線的詳解可查閱各段控制網(wǎng)的平差報告。

3 總結(jié)

通過此工程GPS在控制測量中的應(yīng)用，對比以往類似工程的控制測量明顯的縮短了工期，點位精度也比傳統(tǒng)導(dǎo)線做法提高很多。傳統(tǒng)導(dǎo)線測量要求測站之間必須通視，規(guī)范對附合導(dǎo)線長、閉合導(dǎo)線長及結(jié)點導(dǎo)線間長度等有嚴(yán)格規(guī)定，在狹長的鐵路測量中往往達不到規(guī)范要求，這將造成測量精度的降低，產(chǎn)品質(zhì)量的下降。

實踐證明GPS測量具有：測量精度高，作業(yè)方便，作業(yè)不受通視條件限制；而且測量速度快，效率高，節(jié)約人力物力等優(yōu)點。

總之，GPS具有全方位、全天候、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導(dǎo)航信息，GPS系統(tǒng)的產(chǎn)生和GPS技術(shù)的形成使測量達到很高的精度。它也為鐵路工程測量開辟了一條嶄新而有效的技術(shù)途徑。

The paper sets out the advantages of using GPS in the route survey through the actual application and operational process of GPS in Beijing-Baotou railway line. The actual application proves that the GPS survey has advantages of high positioning accuracy， fast speed， easy operation and low costs compared with traditional survey methods.

GPS； railway； control survey

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.05.026

（2016-06-13）